Ta2O5能帶結構與性質的第一性原理模擬

馬 浩

(中國礦業大學 材料學院，江蘇徐州 221116)

1 引言

由于Ta2O5具有許多優良的光電特性，使得它在眾多領域都有廣泛的應用。首先，Ta2O5是一種重要的薄膜材料。由于其是一種寬禁帶化合物半導體材料，在可見光波長范圍內，具有較低的光學吸收和較高的折射率，在波長550 nm處，折射率約為2.1，并且具有很寬的光譜透過范圍(300 nm～10 μm)，因此被廣泛的應用于各種光學器件，如增透膜、反射膜、干涉濾光片等。同時，由于其介電常數高、漏電流密度低和熱穩定性良好，近年來在動態隨機存儲設備和金屬氧化物半導體等領域的研究備受關注。

但是，盡管Ta2O5晶體具有很多優良的應用性能，對其本身性質的研究卻并不充分，本文便著眼于Ta2O5晶體本征態和存在各種不同缺陷狀態時的能帶結構和態密度研究，分析不同缺陷對其光電性能的影響機理，并作出比較，為后續的研究做理論依據。

2 理論模型和計算方法

Ta2O5有幾種常見的空間構型，本文采用晶格常數為a=12.7853，b=4.8537，c=5.5276，α = γ =90，β =104.264的單斜相的 Ta2O5進行計算，其空間群為 C12/c1，設置2x2x1的超晶胞。分別對本征態、O空位(Vo)、Ta空位(VTa)、O反替位Ta(Ota)和 O間隙(Oi)本征缺陷存在時的Ta2O5晶體的能帶結構和態密度進行計算。從本征態Ta2O5晶體的能帶結構圖(圖1)可知其帶隙為2.486ev，其價帶頂和導帶底不在同一位置，說明該單斜相的Ta2O5晶體是一種間接帶隙半導體。由Ta2O5晶體的分波態密度圖可見(圖2)，費米能級以下－18.5 ev到－15.5ev之間態密度主要來自O原子的S軌道電子，同時有少量d軌道電子的貢獻;在－6ev到費米能級之間態密度主要來自于O原子的p軌道電子和和Ta原子的d軌道電子，此時費米能級處于價帶內，費米能級處的態密度則主要來自于O原子的p層電子。

圖1 本征態Ta2O5晶體能帶結構和態密度圖

當Ta2O5晶體中存在Vo缺陷時，其態密度和能帶結構如圖3所示，可知其帶隙為1.143ev，與本征態Ta2O5晶體相比，其帶隙明顯變窄，且總的態密度圖以及各個原子的分波態密度圖(圖4)相當于無缺陷Ta2O5晶體態密度圖向左移動1.5ev，使其費米能級更靠近導帶，從而影響其電學性能。同時Vo的存在導致其p層電子的貢獻消失，使得費米能級下以及費米能級處的態密度整體略有降低。

存在VTa本征缺陷時Ta2O5晶體的能帶結構和態密度如圖5所示，可見其帶隙為2.468ev，與無缺陷晶體相比基本無變化，費米能級靠近價帶，不利于導電性能。同時，由分波態密度圖(圖6)分析有，在費米能級以下－27ev到－25.5ev區間內的態密度主要由O原子的S層電子貢獻，少部分由O原子的p層電子貢獻;在－15.5ev到－14ev能量區間內的態密度主要來自于O原子的S層電子;在－8.5ev到－6ev區間時其態密度主要由O原子的p層電子貢獻;在－6ev到費米能級處的態密度主要來自于Ta原子的d層電子，并與費米能級相交。

圖2 本征態Ta2O5晶體中Ta原子分波態密度圖(a)和O原子分波態密度圖(b)

圖3 存在Vo的Ta2O5晶體態密度和能帶結構圖

圖4 Vo缺陷態中Ta原子分波態密度圖(a)和O原子分波態密度圖(b)

圖5 存在VTa的能帶結構和態密度圖

O反替位Ta即Ota這種本征缺陷存在時Ta2O5晶體的能帶結構和態密度如圖7所示，其帶隙為0.533ev，與無缺陷的Ta2O5晶體相比明顯減少，表明其導電與光學性能有較大變化;對于其態密度圖(圖8)，由以上分析可總結出其在－19 ev到 －16ev區間內態密度主要由O原子的p層電子貢獻;在－6.5到費米能級處的態密度主要來源于Ta原子的d層電子。

最后，討論了在Ta2O5晶體中存在O間隙(Oi)時的態密度和能帶結構情況。如圖9所示，存在O間隙缺陷時，費米能級靠近價帶，其帶隙變為1.868ev，與無缺陷Ta2O5晶體相比有所減少，表明O間隙的存在對晶體本身的電學和光學性能有一定的影響。再對其各原子的分波態密度分析(圖10)，在費米能級以下－19 ev到 －16 ev能量區間內，態密度主要由O原子的s層電子貢獻;在－7.5 ev到費米能級處區間內則主要由Ta原子的d層電子和O原子的p層電子共同貢獻。

圖7 存在OTa缺陷的Ta2O5晶體的能帶結構和態密度圖

圖8 VTa缺陷態存在時Ta2O5晶體的分波態密度圖

圖9 存在Oi缺陷時Ta2O5晶體的能帶結構和態密度圖

根據以上研究，對不同缺陷態中的帶隙進行對比分析后可得，O反替位Ta(OTa)缺陷存在時Ta2O5晶體的帶隙值降低了78.56%，O空位(Vo)和O間隙(Oi)缺陷存在時帶隙值分別降低了54.02%和24.86%，Ta空位(VTa)缺陷存在時帶隙值只變化了0.72%。同時考慮到各種缺陷的缺陷形成能不同，其各類缺陷存在的幾率大小也不同，因此對各類缺陷在本征晶體中的存在狀態還需要進一步的研究。

圖10 Oi缺陷態中Ta原子分波態密度圖(a)和O原子分波態密度圖(b)

3 結論

分別計算了本征態Ta2O5晶體以及存在O空位(Vo)、Ta空位(VTa)、O反替位Ta(Ota)和O間隙(Oi)本征缺陷時Ta2O5晶體的態密度和能帶結構，O反替位Ta(OTa)缺陷存在時Ta2O5晶體能帶結構的帶隙值影響最大，其降低了78.56%，說明O反替位Ta缺陷存在時對Ta2O5晶體的光電性能影響最大，其次是O空位(Vo)和O間隙(Oi)，分別降低了54.02%和24.86%，而Ta空位(VTa)的存在對帶隙值影響最小，只有0.72%。

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